5.Сушка. Способы удаления влаги из материалов и методы сушки. Физические основы тепловой сушки, основные параметры влажного воздуха, понятие абсолютной и относительной влажности материала

Многие технологические процессы обусловлены необходимостью удаления влаги из различного рода материалов, поскольку это позволяет удешевить их транспортировку, улучшить качество и последующую обработку.

Различают следующие способы удаления влаги из материалов:

• механический. В этом случае влагу из материала удаляют за счет использования механической энергии (прессование, фильтрование, центрифугирование). Механический способ является наиболее экономичным, однако используется для предварительного обезвоживания материалов;

• физико-химический. Физическая сущность этого способа заключается в поглощении влаги гигроскопическими веществами – поглотителями влаги: СаCl₂, СаО, Н₂SO₄, NaOН. Этот способ применяется для осушки газов и различных растворителей, но является дорогим;

• тепловой, заключающейся в испарении влаги из материалов за счет подвода тепловой энергии с последующим удалением паров из зоны испарения (тепловая сушка). Способ является основным. Именно этим способом достигается наиболее полное удаление влаги, но связан он с большими затратами энергии.

Таким образом, под сушкой понимают процесс испарения влаги из материалов и отвода образующихся паров.

В процессе сушки теплота подводится к влажному материалу с источником теплоты, называемым сушильным агентом. В зависимости от способа подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие методы сушки:

• конвективный метод (конвективная сушка). В этом случае осуществляется непосредственный контакт сушильного агента с материалом, в качестве сушильного агента чаще всего выступает нагретый воздух (в пищевой технологии) или топочные газы. Осуществляется данный метод в барабанных, распылительных, камерных, ленточных сушилках, сушилках с кипящим слоем материала;

• контактный метод (контактная сушка) – метод при котором теплота от сушильного агента передается влажному материалу через разделяющую стенку. В качестве сушильного агента используются пар, расплавы солей и металлов, вода. В качестве контактных сушилок используются шнековые, вальцевые, вакуум – гребковые сушилки и вакуумные шкафы;

• радиационный метод – метод сушки инфракрасными лучами, теплота материалу передается от излучателей – электрических ламп, газовых горелок. Осуществляется данный метод в терморадиационных сушилках с газовым обогревом;

• комбинированный метод – в этом случае используется несколько вышеперечисленных способов подвода теплоты к материалу, например в вальцево - ленточной сушилке;

• специальные методы сушки – сушка токами высокой частоты (ТВЧ) и сублимационная сушка. В первом случае метод сушки основан на выделении в диэлектрическом материале значительного количества теплоты под воздействием высокочастотного электрического поля. Во втором случае сушка материала протекает в замороженном состоянии путем перевода влаги из твердого состояния в пар.

Н аиболее распространенным методом тепловой сушки является конвективный, когда в качестве сушильного агента выступает нагретый воздух. Механизм такого процесса можно представить следующим образом: влага в капилярно – пористым теле поступает к поверхности материала (процесс влагопроводности) образуя слой жидкости с давлением насыщенного пара испаренной влаги равной Р_м. В то же время вдоль материала движется сушильный агент (воздух) с давлением паров испаряемой жидкости равным Р_п. В зависимости от величины разности этих давлений могут протекать следующие процессы:

- ;

- ;

- .

Разность парциальных давлений паров в поверхностном слое материала и в сушильном агенте называется движущей силой процесса сушки:

. (254)

Поскольку в качестве сушильного агента при конвективной сушки чаще всего используется нагретый воздух рассмотрим его основные параметры:

• под абсолютной влажностью воздуха понимают массу водяного пара содержащегося в 1 м³ влажного воздуха _п (кг/м³);

• относительная влажность (степень насыщения) – отношение массы водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха к максимально возможной массе водяного пара в 1 м³ воздуха при тех же условиях

, ( 255)

_п- плотность водяного пара в воздухе, кг/м³; _н- плотность насыщенного водяного пара в воздухе, кг/м³; Р_п – парциальное давление водяного пара, Па; Р_н- парциальное давление насыщенного водяного пара, Па;

• влагосодержание – масса водяного пара во влажном воздухе (G_п) приходящаяся на 1 кг абсолютно сухого воздуха (а.с.в.):

; (256)

• энтальпия (теплосодержание, кг/кг а.с.в.) – представляет собой количество теплоты, содержащегося в воздухе, равна сумме энтальпий абсолютно сухого воздуха (С_а.с.в.t) и водяного пара

, (257)

г де С_а.с.в, С_п. – теплоемкость сухого воздуха и пара, Дж/(кг град); t – температура; i_п- теплосодержание пара (Дж/кг пара). Перечисленные параметры влажного воздуха определяются по J-x диаграмме, которая используется для графоаналитического расчета процессов сушки.

J-x диаграмма представляет собой косоугольную систему координат с осью ординат, по которой откладываются энтальпия J, температура t, парциальное давление водяного пара P_п и осью абсцисс – влагосодержания х. Для удобства пользования диаграммой влагосодержания х спроектированы на вспомогательную ось. С целью определения парциального давления паров диаграмма имеет диагональ.

Н а диаграмме нанесены следующие линии:

постоянного влагосодержания (х=const), постоянной энтальпии (J=const), постоянной температуры (t=const) и относительной влажности воздуха (=const). Необходимо отметить, что линия относительной влажности =100% делит диаграмму на две части: на область ненасыщенного влагой воздуха (эта часть диаграммы лежит выше линии =100%) и область насыщенного влагой воздуха (эта область располагается ниже линии =100%). В расчетах сушильных процессов используется только верхняя часть диаграммы.

По диаграмме можно определить также следующие параметры: температуру мокрого термометра t_м.т., при этой температуре удаляется основная – внешняя влага; температуру точки росы t_м.т.; парциальное давление водяных паров в воздухе Р_п.

Д ля определения температуры t_м.т. необходимо из произвольной т.А опуститься по линии постоянной энтальпии до линии =100%, изотерма проходящая через точку пересечения будет соответствовать температуре мокрого термометра. Психрометрическая разность температур сухого и мокрого термометра , характеризующая способность воздуха испарять влагу из тела, называется потенциалом сушки. Эта разность по мере испарения влаги уменьшается и становится равной нулю. Поэтому температуру мокрого термометра еще называют пределом охлаждения влажных тел.

Температура, соответствующая полному насыщению воздуха водяными парами в процессе охлаждения при х=const называется температурой точки росы t_т.р. Для определения этой температуры необходимо из произвольной т.А опуститься по линии постоянного влагосодержания до линии =100%, изотерма проходящая через точку пересечения будет соответствовать температуре t_т.р. Охлаждение воздуха ниже этой температуры проводит к конденсации влаги из воздуха, происходит его осушка от влагосодержания х₁ до х₂.

П арциальное давление водяных паров в воздухе используется для расчета движущей силы сушки. Для определения давления Р_п необходимо из произвольной т.А опуститься по линии постоянного влагосодержания до диагонали, значение параметра определяют по оси ординат.

К роме того, в сушильных установках протекают процессы нагрева воздуха, его охлаждение, увлажнение за счет испарения влаги из материала, смешение воздуха с различными параметрами. Эти процессы, налагаясь один на другой, создают сложные закономерности изменения состояния воздуха в сушильных установках. Рассмотрим изображение этих процессов на диаграмме.

Процессы нагревания и охлаждения воздуха изображаются на диаграмме вертикальными линиями, т.к. в этих случаях влагосодержание воздуха остается постоянным, изменяется лишь его температура и энтальпия.

П роцессы увлажнения воздуха за счет испарения влаги из материала изображаются на диаграмме в виде наклонных прямых, отражающих понижение температуры и энтальпии воздуха.

Процессы смешения воздуха различных состояний (АВ) происходят в сушилках с многократной циркуляцией, в которых часть отработанного воздуха смешивается с некоторым количеством свежего воздуха и вновь поступает в сушилку. Параметры исходной смеси (х_см, J_см) в этом случае определяются положением некоторой т. С лежащей на прямой, соединяющей точки А и В, характеризующие составные части смеси. Расположение точки смешения С определяется по правилу рычага из соотношения: , где n – кратность рециркуляции, кг рециркулирующего воздуха/кг свежего воздуха.

Рассмотренные выше параметры и линии нанесены в совокупности на J-х диаграмме и представлены на рис.33.